钢铝结合商用车车架轻量化技术综述

钢铝结合商用车车架轻量化技术综述李舜酩; 张凯成; 丁瑞; 孙明杰【期刊名称】《《重庆理工大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(033)010【总页数】8页(P1-8)【关键词】轻量化; 钢铝结合车架; 结构优化设计; 连接工艺【作者】李舜酩; 张凯成; 丁瑞; 孙明杰【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院南京210016【正文语种】中文【中图分类】U463.32目前，商用车保有量占汽车总量的10%左右，但总体燃料消耗量占汽车燃料总消耗量的55%～60%，百公里排放量约为乘用车排放量的3～4倍[1]。

而轻量化技术作为提高汽车燃油经济性和减少尾气排放的有效手段，对商用车来说，在减轻了自身质量的同时，还提高了载质量利用系数[2]。

一般重型商用车整备质量为8～18 t，车架质量为500～1 200 kg，车架占商用车整备质量的5%～10%[3]，因此车架轻量化对整车轻量化的贡献非常可观。

车架承受着整车的簧载质量，同时还要受到来自不平度路面、行驶速度和方向改变而产生的外部激励，以及动力传动系统等产生的内部激励，所以车架要求足够的刚度、强度和可靠性。

目前车架轻量化主要依靠3个方面进行[4]：① 结构优化设计，包括尺寸优化、形貌优化和拓扑优化等，并结合多学科手段使得优化结果满足所有学科的要求，目前车架优化考虑的性能主要有刚度、强度和模态，而大多数研究在优化过程中未将疲劳考虑在内；② 轻量化材料的应用，包括高强度钢和铝合金等，目前钢铝结合和全铝在车身上的应用较为常见，而在车架上的使用相对较少；③ 先进制造工艺，包括热冲压成形和激光焊等。

生产超高强度钢和超强度铝需要更高要求的制造工艺，而且保证钢铝材料能够在车上正常使用，需要设计相应的钢铝异种材料的连接工艺。

因此，基于传统的车架钢制结构，采用铝合金材料制作部分零件，根据性能模拟、优化设计等方式，综合考虑刚度、强度、模态和疲劳性能，对铝替代钢的零件加以确定，并配合相应的连接工艺是今后实现商用车架轻量化的一个重要方向。

1 钢铝材料在车架上的国内外应用现状因商用车车架需要安装各大总成及承受所产生的载荷，所以目前商用车车架纵梁及横梁等多采用钢板冲压加工成槽型结构。

随着车架的发展，车架的强度级别提高到510、590、610、700 MPa和750 MPa等，以适应不同用途的需求。

2000年以前，国内各商用车整车厂在车架上采用的主要是以如Q345和16MnL等普通强度等级的钢材。

在2000年以后，国内整车厂开始研发使用高强度钢板。

东风商用车在2004年开始研发使用抗拉强度为590 MPa级的热轧高强度钢板，其在2007年批量用于车架纵梁的生产[5]。

同年，开始了抗拉强度为700 MPa级热轧高强度钢板纵梁的试制工作。

2012年设计推出的第一款量产的轻量化牵引车车架上采用了750 L高强度钢板，由原来的双层车架优化为单层，局部通过增加加强板以满足强度要求，减重幅度显著[6]。

近年来，北京福田戴姆勒汽车有限公司成功试制了屈服强度为620～700 MPa级别的汽车用大梁钢的车架纵梁，试制产品满足工艺及质量要求，并完成道路可靠性试验，使整车轻量化和安全性合理的匹配与平衡，达到了轻量化的目的[7]。

目前，国内重型卡车车架纵梁截面多为U字型直梁与变截面弯梁，材料多选用低合金高强度热轧中厚度钢板，厚度4～10 mm，材料牌号多为510～690 L，通过冲孔、压型、切割、合梁及钻孔等工序加工为成品纵梁。

少部分车型采用了700～800 MPa级别的大梁钢板，甚至热处理车架。

欧美发达国家的重卡车系中，如奔驰、沃尔沃、斯堪尼亚、曼恩等系列车系，其车架用钢强度普遍已达到700～800 MPa级别水平[8]，部分公司还采用了1 200 MPa级别以上的热处理车架，甚至铝合金车架，车架重量明显低于国内同类产品。

全钢制车架不符合轻量化，而全铝合金车架成本又太高且强度不足，钢铝结合车架利用铝合金替代部分钢制零件，在保证强度的同时，既节省成本，又达到了轻量化的目的。

在发达国家，商用车的铝化率已经超过80%，而中国商用车的铝化率除个别车种如冷藏车外，其他的均很低，发展空间较大[9]。

北美地区车型轻量化设计进行得较早，铸造铝合金研究处于领先水平，铸造工艺先进，也是最早将铸铝合金应用在重型货车底盘的连接及承载零部件上的地区。

目前使用铸造铝合金的零件包括横梁及大部分底盘支架，主要采用普通铸造及加压铸造工艺[10]。

但近几年随着新型的超高强度的铝合金的出现，汽车制造商有了一个真正的替代方案，超高强度铝合金关键优点是突出的密度-强度比，这允许其与超高强度钢相同的机械性能并显著地节省重量[11]。

在未来的十几年中，肯联铝业等铝制造商将继续投资于研究和开发，以推动超高强度的铝合金发展，为汽车制造商提供额外的选择，使车辆在不牺牲安全性的前提下，质量更轻。

国内新修订的GB1589于2016年7月正式发布，其对商用车的轴荷及质量限值均进行了压缩。

如果总质量下降而整备质量不变，会导致载质量降低，因此，商用车轻量化的需求因政策而加大。

考虑到国内路况和超载问题，目前车架的纵梁和横梁仍采用钢制，但其他附件，如油箱和轮毂正逐渐由钢向铝合金过渡。

扬州中集通华专用车有限公司于2016年2月推出了一款钢铝混合的45英尺的鹅颈骨架车，主体车架采用高强度钢板，附件一律采用5系和6系铝合金材质。

就目前发展趋势，材料是商用车轻量化的重要途径之一，先进高强钢、铝合金、镁合金、非金属复合材料等用在国产商用车上已经屡见不鲜，促进了商用车的轻量化，但是我国目前商用车先进材料的应用比例和应用的成熟度相较国外先进水平还是比较低的。

国内特别是车架仍是以510～590 MPa级大梁钢板为主，铝合金在车架上的总体应用率较低。

2 钢铝结合车架所面临的关键问题钢铝结合车架结构的理念虽然已经引起国内外汽车企业的高度重视，并在实际的车架制造中有了一定的体现，但是这种车架结构的开发方法与传统的单一材料车架结构相比有很大的不同，仍然面临着一些关键问题亟待解决。

首先，钢和铝的物理特性有较大的区别，2种材料的熔点与热膨胀系数相差较大，焊接过程中难以形成熔核，且易形成脆性的金属间化合物，难以保证接头强度，受热后引起内应力难以消除[12]。

另外，铝和钢的电位相差较大，易于发生电化学反应，故钢铝材料结合车架很难通过传统的电阻点焊进行连接，如何克服铝和钢物理化学性质的巨大差异是连接技术的一大难点。

其次，车架轻量化的前提是基于强度和刚度条件进行的，对于铝合金来说，7075铝合金在T6温度下达到约500 MPa的屈服点，在T7温度下的屈服点约为450 MPa。

450～500 MPa的屈服点已经非常高，然而如果考虑相同的产品厚度，超高强度钢仍然具有1 100 MPa的屈服强度，强度明显更高。

铝合金在强度和刚度方面明显低于钢板。

再次，钢铝结合车架结构的核心是将合适的材料应用于合适的部位，以充分发挥钢和铝在强度、刚度、轻量化方面各自的优势，最大程度上实现车架的轻量化和重要性能的最优。

然而，如何为每一个零部件确定其适合的材料，即如何科学地进行材料选择，从众多的可选材料组合中找出最符合设计要求的材料，显然是重点考虑的问题。

最后，采用轻量化材料的前提是保证材料替换的结构的各项基本性能仍达到设计要求。

在采用轻质材料的同时，还需结合结构优化设计以及相匹配的制造工艺，才能达到理想的轻量化效果。

因此，结构优化后结构形式的变化问题、轻质材料的制造工艺以及异种材料间的连接问题，都是多材料结构面临的关键问题。

综上所述，钢铝结合车架面临着异种金属间的连接技术、材料匹配、高强度钢和铝合金的先进成形工艺技术、电化学腐蚀及热变形不协调等突出问题。

对于试图在成本约束下进一步减小车架重量的汽车工业而言，这些问题的解决都是迫切需要的。

3 钢铝结合车架CAE优化方法3.1 钢铝结合结构研究乘用车排放标准更高，为了节能减排，铝合金材料在20世纪80年代就已经应用在车身上，且铝合金在乘用车材料中的使用比例逐年提高。

随着近年来商用车排放标准的日益严苛，商用车同样需要进行轻量化。

虽然目前的成形技术还达不到商用车车架全铝，但设计钢铝结合结构是目前解决轻量化难题的可行途径之一。

一般来说，钢铝结合车架的结构优化分成两个部分：第一部分，首先根据强度和刚度等安全指标作为约束，把材料作为变量组进行优化，以得到材料分配后的车架；第二部分，对选定好材料的车架进行优化，以强度、刚度和模态特性等作为约束，把板厚等作为变量进行结构优化，最后获得满足多种指标的车架轻量化方案。

有关研究[13]以某国产SUV车架为例，对其进行刚度和模态仿真分析，使用铝合金材料，结合正交试验法确定材料轻量化目标。

建立优化设计数学模型，进行多目标形貌优化设计，得到满足刚度和模态性能的钢铝复合车架模型。

相关研究[14]对基于耐撞性的车身前端结构钢铝混合材料轻量化设计，以简化模型中的前保险杠、吸能盒、副车架前横梁等构件为对象，采用均匀实验设计与RBF近似模型，建立了综合考虑总质量、总吸能、白车身扭转刚度、前纵梁后端峰值碰撞力等性能在内的钢铝混合材料与板厚组合多目标优化问题的数学模型，最终取得了研究对象减重29.1%的轻量化效果。

3.2 计算机仿真优化研究20世纪70年代，随着计算力学和计算机硬件的发展，解决一些复杂结构的问题也变得越来越方便，从而推动了结构轻量化的发展。

20世纪90年代以后，国外众多研究者加入到商用车及乘用车车架的计算仿真工作中来，Bhope等[15]借助有限元软件对挂车底盘进行改进，最终减轻了其重量；Nor等[16]通过CATIA对拖车车架进行有限元分析，设计工字梁尺寸提高其安全系数。

近年来，轻量化理论方法和CAE软件不断出现，应用越来越成熟。

目前我国的轻量化研究主要采用这种方式，如南京航空航天大学的研究团队[17]利用ANSYS根据满载时均布载荷作用在车架上的计算工况对车架进行了结构参数优化设计，使车架质量降低了17.9%。

湖南大学的研究团队[18]运用区间分隔拓扑优化并综合尺寸优化确定了车架的最终尺寸，最终减重10%。

安徽理工大学的有关研究[19]利用Optistruct以扭转工况下最大应力值为约束对纵梁、横梁、连接板、尾梁和后加强板进行尺寸优化，使车架总质量较少约11.8%。

然而有限元仿真存在着计算量过大、收敛速度缓慢甚至不收敛等难题，为解决这些难题，通常采用试验设计提取采样点建立近似模型的方法来代替复杂有限元仿真，达到简化优化过程和减少计算成本的目的。

试验设计是建立近似模型的前提和基础，为了构造具有较高精度的近似模型，必须选择合适的试验设计方法，使样本点能够按照一定的规律分布在设计空间内，较为准确地反映系统输入与输出之间的关系。